一、超聲波機理概述

　　超聲波是物理介（jiè）質中的一種彈性機械波，它（tā）和電、磁、光等同樣是一種物理能量形式。超聲波具有聚束、定向及反（fǎn）射、透射等特性。超聲技術的應用主要是（shì）利用超聲波具有的諸多（duō）特性，其中特別突出的（de）是，由於超聲波頻率高、波長短，因（yīn）而衍射現象不明顯，所（suǒ）以傳播直進性好，方向性強;超（chāo）聲波引起（qǐ）的介質微（wēi）粒振動可以產生很大的（de）速度和加速度，傳給介質微粒（lì）的能量比可聽聲音要（yào）大得多;固體對超聲波吸收很微弱;在不透明的（de）固體中，超聲波能穿透幾十米（mǐ）的厚（hòu）度;超聲波（bō）碰到雜（zá）質或介（jiè）質分界麵有明顯的反射，能量比較大的超聲波能（néng）對介質產生很多效應。

　　超聲技術的（de）用途可（kě）分為兩大類，檢測超聲(也稱弱超聲)和功率超聲(也稱強超聲)，二者的主要區別是介（jiè）質微粒的振動幅度不同，檢測超聲介（jiè）質微粒的振動幅度很小，主要用於采集信（xìn）息，對物體進行無損檢測;功率超聲則利用能量來改變材料的某些（xiē）狀態，需要比較大的功率（lǜ），如超聲清洗（xǐ）、超聲萃取、超聲乳化、超聲水處理、超聲機械加工等。

　　二（èr）、超聲場（chǎng）的基本物理量、物理特性、產生的理化生效應（yīng）

　　1、超聲場的基本物理（lǐ）量

　　(1)聲壓（yā）? 超聲（shēng）場中某一點在某（mǒu）一時刻具有的壓力與沒有超聲存在時的靜壓力之差稱為聲壓。

　　(2)聲速? 超聲波在彈性介（jiè）質中傳播（bō）的速度。

　　(3)聲強? 超（chāo）聲波的聲強是指（zhǐ）在垂直於（yú）進（jìn）行波傳播方向上每平方厘米每秒所（suǒ）傳送的能量。

　　(4)聲功率? 聲功率是反應聲場中總能量關（guān）係的一個物理量，平均聲功率是單位時間裏通過垂直（zhí）於聲傳播方向的麵積的平均聲能（néng）量。

　　(5)聲阻抗? 聲阻抗是指介質的特性阻抗。

　　2、超聲場的物理特性

　　(1)反射與折射? 平麵聲波傳播到兩種特性阻抗不（bú）同的介（jiè）質平麵分界麵上時，一（yī）部分聲（shēng）波被（bèi）反射，另一部分（fèn）被折射到相鄰（lín）的介質內，稱為反射與折射。

　　(2)超聲波的吸收? 聲波在傳遞過（guò）程中能（néng）量被介質吸收，轉化為介質質點的振動（dòng）能、熱（rè）能等，從而導致聲強降低，介質吸聲（shēng）係數越高，介質吸聲效果越好。介（jiè）質分為液體介質、氣體介（jiè）質和固（gù）體介質。

　　(3)幹涉的形成? 如果在一種介質中有幾個聲波，就會（huì）產生波的幹涉（shè）現象，由於（yú）聲波的幹涉，在幅照器的周圍將形成（chéng）一個包括大和小聲強的聲場。

　　(4)駐波聲場? 幹涉可以形成駐波（bō）場，在每（měi）相距二分之一個波長的地方出現振動節點，這些地方（fāng）的介質為靜止狀態，在兩個相鄰節點之間出現振動波峰（fēng），也就是介質振動幅度為最大值。當兩（liǎng）個完全相同的波從相反的方向傳播時，就會產生（shēng）駐波（bō）。

　　3、超聲場產（chǎn）生的物理、化（huà）學、生物效（xiào）應

　　(1)機械效應? 超聲在（zài）傳播（bō）過程中，會引發質點的交替壓縮與伸張（zhāng），構成了壓力的變化，引起介質質點振動（dòng）的機械效應，其質點加速度有時可超過重（chóng）力加速度數萬倍，從（cóng）而對介質造成強大的（de）機械效應。

　　(2)熱效應? 由於物質的聲吸收特（tè）性，超（chāo）聲能量射入物質後，部分超聲能量將轉變成（chéng）熱能，促使物質溫（wēn）度升（shēng）高（gāo）。物質溫度與聲吸收有著密切的關係。超聲熱效應的機理大致有如下幾方麵：a、超聲振動通過介質時（shí）能量發生（shēng）轉變;b、介質質點發生周期性緊縮，引起（qǐ）溫度增高中心，該中心發生在超聲波的壓縮相位中（zhōng）;c、在不同種組織分（fèn）界部分，由於組織分層（céng），介質阻抗不同（tóng），將產生反射，形成駐波，引起分（fèn）子間相對（duì）運動，產生摩擦而形成熱（rè），這時在與駐波區相應的位置上就有局部溫度增高。上述諸因素中，介質的聲吸收是熱效（xiào）應產（chǎn）生（shēng）的主要原因。

　　(3)空化效應? 超（chāo）聲（shēng）空化是功率超（chāo）聲在液體介質中引起的一種（zhǒng）基本，且又特有（yǒu）的物（wù）理（lǐ）過程，超聲空化是這樣產生的：存在於液體中（zhōng）的微氣泡(又稱空化核)在（zài）聲場的作用下振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然後突然閉（bì）合，在氣泡閉合（hé）時產生衝擊波，然後崩潰，這（zhè）種（zhǒng）微小（xiǎo）氣泡振動、膨脹、閉合、崩潰等一係（xì）列（liè）動力學過程稱為聲空化(Acoustic Cavitation)。超聲（shēng）空化產生時，在空化發生的局部可以產生壓力高達上千個大氣壓的巨大壓力，空化泡破裂時還能（néng）產生速度大於每秒300米的衝擊波。因而，多年來聲空化現象是超聲（shēng）學及其（qí）應用的一項基礎研（yán）究，聲化學是其（qí）中一個重要分支。

　　(4)熱解和自由基效應? 聲化學反應時溶液中的有機物產生熱解反應和氧（yǎng）化反（fǎn）應兩種類型的聲化學反（fǎn）應。進入空（kōng）化泡（pào）的水蒸氣在高溫和高壓環境下發（fā）生分裂和鏈式反應以及聲致自由基反應。疏水性、易揮發的有機物可進入空化泡內進行類似燃燒化學反應的熱解反（fǎn）應;親水性、難揮發性的有機物在空（kōng）化泡氣液界麵上或在（zài）液體中發生氧化反應（yīng）。

　　(5)聲流效應? 超聲射入於兩（liǎng）種不同聲阻抗的（de）介質界麵時，動量發生（shēng）變化，產生（shēng）幅（fú）照壓（yā）力，對（duì）介質粒子(如生物細胞或物質分子)可產生撕裂並引起聲流，即引起介質粒子(生物細胞和物質分子（zǐ）)的移動或轉動（dòng），當這種運動的幅度足夠大時，會引起介質粒子損（sǔn）傷(破壁或變（biàn）型)。

　　(6)傳質效應? 超聲（shēng）波作用時，可使介質質點處於振動狀態，從而增強液態介質中質點（diǎn）的運動、加速質量傳遞作用，從而可提高生物反應或化學反應（yīng）的速度，這就是超聲對傳質的促進作用。

　　(7)觸變效應? 超聲波的作用還會引起生物（wù）組織結合狀態的改變，如降低粘滯性，造成細胞液變稀，細胞質沉澱，這種效應稱為觸變（biàn）效應。當聲強過高時，觸（chù）變效應是不可逆變化，會對組織造成損（sǔn）傷。